摘要
近年来，光催化剂在解决环境与能源问题上表现出巨大的潜力。常见的宽带隙半导体二氧化钛光谱响应较窄，其应用受到一定限制。铋系材料作为一类新型可见光光催化剂，具有安全无毒、结构稳定和能带易调控的优点，近年来被广泛的运用于非均相光催化反应，如二氧化碳还原、污染物降解和一氧化氮去除等。特别是钨酸铋和钼酸铋这类奥里维里斯层状结构材料，其形貌、晶面和电子结构等非常容易调控。研究者们对其进行了大量改性研究，如复合体系构建、形貌结构调控、外来元素掺杂和表面缺陷构筑等。其中，卤素掺杂和表面氧空位构筑是提高材料光催化性能的常用手段。本文从碘元素诱导缺陷构筑角度出发，设计合成了氧空位钼酸铋、钨酸铋材料。通过一系列表征实验发现碘元素可以促进材料产生大量氧空位，改善材料的光生电子分离效率，进而提高其光催化性能。本文具体研究内容如下: 1.首先利用理论模拟计算研究碘引入对γ相钼酸铋(γ-Bi2MoO6)氧空位形成能的影响，发现碘的引入可以促进氧空位的生成。在计算结果的指导下，使用碘化钾作为碘源，调控合成出不同氧空位浓度的钼酸铋材料。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱分析(XPS)、电子顺磁共振(ESR)等表征研究碘对钼酸铋晶体结构、微观形貌、表面元素组成的影响，发现碘的引入不影响材料的结晶和组成，但是明显促进了材料表面氧空位的生成。接下来通过对乙酰氨基酚光催化降解实验，发现可见光条件下氧空位钼酸铋的降解速度相对于钼酸铋提高了7.3倍，且光生空穴为主要活性物种。最后根据ESR、光电流检测、光致发光光谱(PL)、活性物种捕获、阻抗(EIS)等表征实验结果推导了碘诱导氧空位钼酸铋材料的光催化降解机理。 2.首先通过理论模拟计算碘掺杂形成能，发现钨酸铋(Bi2WO6)较γ相钼酸铋更容易实现碘元素掺杂。根据计算结果，我们采用溶剂热法合成出了不同浓度碘掺杂的钨酸铋材料。通过表征发现，碘元素掺杂进入钨酸铋晶体，且碘的引入可以增强材料在可见光区域的吸收。通过五氯酚钠降解实验发现，在可见光条件下碘掺杂钨酸铋的总有机碳去除率相对于纯相钨酸铋提高了10.6倍，并且随着碘掺杂浓度的提高，材料的光催化性能呈先增后降的趋势。同时，利用一系列表征实验，研究了碘掺杂与氧空位的协同作用，推测了碘掺杂氧空位钨酸铋促进光催化降解五氯酚钠的机制。
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